小议直流电动钻机的功率测算及其集电环的维护
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摘要: 随着钻井新工艺的发展,出现了采用水平井、方向井、超深井等来寻找油气的趋势,使得石油钻机必须突破传统的结构型式,以满足各类钻井的要求。在当今世界能源紧缺的情况下,节约能源减少石油钻井生产时的能源消耗,显得更为重要。面对此情况,我们必须对直流电动钻机由无功功率大而引起的发电机功率消耗大的现状加以改进。对影响直流电动钻机集电环使用寿命的问题进行了探讨。
Abstract:With the development of drilling new technology, the trend of horizontal wells, directional wells, and ultra-deep well appeared for finding oil and gas which makes the oil rig must break the traditional structure type to meet all drilling needs. Under today's situation of energy scarcity, conserving energy in order to reduce oil drilling production of energy consumption becomes more important. Faced with this situation, we need to improve the situation of large consumption caused by a large generator, the problems that impact the life of DC electric drill collecting ring are discussed.
关键词:直流电动钻机;功率;集电环
Key words:DC electric drill;power;collecting ring
中图分类号:TE922 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)06-0021-01
1直流电动钻机直流电机对电网功率因数影响
事实上电动钻机的电站功率80%是供可硅系统驱动的直流电动机,而在正常钻井生产时驱动泥浆泵的直流电机所消耗的功率占全部直流电机消耗功率的90%;(除起下钻作业外,泥浆泵是整台钻机的主要功率消耗设备)也就是说电站功率的85%是供给谐波负载(泥浆泵),这么大的谐波负载需要电站提供很大的无功功率,造成无功电流占发电机总电流的30%~35%,致使电站的电网系统功率因数低到0.55~0.65,它严重的限制了电站有功功率的发挥,导致电站存在“动力不足”的问题,因此需要投入大量的发电机组才能满足常规钻井作业的功率需要。
在可控硅整流电路中,当其直流输出电压愈低,也就是触发角α愈大时,线路功率因数愈低,这对于大容量直流负载而言,问题变得更为突出,而电动钻机的绞车和转盘由于钻井工艺的要求,有时工作在低速或中速状态,虽消耗一定的无功功率,但他们在钻井生产时不是主要的用电设备,而经常处于低速和中速运转的泥浆泵是钻井生产时主要的用电设备和引起电网电压下降与无功损耗的增大的主要因素,怎样提高供电系统的电网质量和功率因数就显得十分重要。就此分析的泥浆泵工况,能解决泥浆泵的无功损耗问题,是提高整个电网功率因数的关键。
2钻井生产时直流电机的工况
根据钻井工艺的要求,绞车、转盘和泥浆泵经常需要变速,由于直流电动机采用恒转矩调速,可控硅装置整流输出的直流电压不断变化,可控硅装置的功率因数也随之变化。直流电动机在低转速下运行,造成可控硅装置的功率因数低,这就要求并网的交流发电机组输出大量的无功功率,交流发电机组的运行功率因数取决于可控硅装置的功率因数,两者功率因数基本相当。
3电动钻机功率因数的计算
电动钻机可控硅整流电路的功率因数:
cosΦ≈cos(α+γ变/2)
Φ功率因数角
α可控硅触发角
γ变变压器漏抗引起的重叠角(因我们现场使用的可控硅整流装置没通过变压器供电,而是由发电机直接供电),因此不考虑重叠角γ变时:cosΦ≈cosα。
但功率因数cosΦ不仅同电流与电压的相位差有关也受到电流波形畸变的影响,也就是功率因数与波形畸变系数λ,位移系数cosΦi有关,即:
cosΦ=λcosΦi
Φi是电流基波分量与对应电压的夹角。
由上式不难看出,要提高可控硅整流电路的功率因数cosΦ必须增大波形畸变系数λ或减少角位移Φi(也即减少α值)为了增大波形畸变系数λ就要设法减少高次谐波,增加整流相数可以提高电流中高次谐波的最低次数和降低高次谐波的幅值,进而减少波形畸变,增大畸变系数λ。(这是采用常规功率补偿装置以减少无功功率的方法,这里不作详细介绍)为了减少角位移Φi(α)就要减少可控硅触发角α,但可控硅整流电路正是依靠改变可控硅触发角α来调节可控硅整流装置的直流电压输出,大多数人认为不能采用减少触发角α的办法来提高功率因数,那是因为他们只从电气方面考虑,而没有从机械方面综合考虑,必须指出,可控硅电动钻机中如果电动机采用恒功率调磁调速,直流电动机在它的额定电压下调磁调速,可控硅装置的功率因数较高(在0.85左右),如果对泥浆泵的传动比作适当改进,在其能满足钻井生产的情况下,对泥浆泵的缸套作相应的更换,使泥浆泵驱动直流电机的工作转速提高到接近其额定转速,从而能达到改变可控硅触发角α的目的。
4电刷及集电环常见故障的原因及解决办法
4.1 由于通风不良导致的发热:通风不良主要是因为冷却风道堵塞,集电环表面通风沟、通风孔堵塞、循环风扇风量下降等原因,尤其是当运行中集电环表面温度过高时,导致电刷磨损加剧,碳粉积聚增加,有可能会堵塞上述集电环表面的散热通道。因此在维修保养时,应对集电环表面通风沟、孔以及冷却风道滤网进行清理,保持通畅。对于经过多次车削的集电环,如果集电环表面的通风沟高度不到5mm,已经车削到径向限制孔时,就应当按照说明书根据最小使用外径进行更换,以保证集电环的机械及散热可靠性。
4.2 由于接触电阻过大或分布不均匀而产生的发热:集电环和电刷是通过相互滑动接触导通励磁电流的,电动钻机用的直流电机,每个集电环上分布着数十八只电刷,由于接触电阻的不同,电流分配的差异,会导致发热不均匀,有以下几个原因:a.电刷与滑环表面接触电阻、电刷与刷辫接触电阻、刷辫与刷架引线接触电阻过大。b.电刷压力不均匀或不符合要求,可能有电刷过短、弹簧由于过热变软老化失去弹性等原因。应使用弹簧秤检查电刷压力。恒压弹簧应完整无机械损伤,压力应符合其产品的规定,同一极上的弹簧压力偏差不宜超过5%;非恒压的电刷弹簧,有规定时压力应符合其产品的规定,当无规定时,应调整到不使电刷冒火的最低压力,一般为140~250g/cm2,同一刷架上每个电刷的压力应均匀。c.集电环与转子引线接触电阻过大,这种情况应对集电环与转子引线间的紧固螺丝进行加固。d.电刷材质不良、导电性能差、使用的型号不符合要求或者使用了不同型号的电刷。同一电机上应使用同一型号、同一制造厂的电刷,对于外观检查有明显差异的电刷应更换。
4.3 由于机械及摩擦等原因造成的过热:集电环与电刷过热故障中,很大一部分是由于机械及摩擦等原因导致的过热,如果在电机空载时,就已经发现集电环与电刷温度高,或者在运行中温度过高,拔出几只电刷后,温度反而降低,那就基本可以肯定是由于机械及摩擦原因导致的。